基于云计算的三维市政设计框架研究与应用

何兴富(重庆市勘测院,重庆 400020)

基于云计算的三维市政设计框架研究与应用

何兴富∗
(重庆市勘测院,重庆 400020)

摘 要:三维技术在市政规划设计行业得到了较快的研究和应用,但CAD平台本身对三维数据的承载量、分析效率和展示效果支持较弱,制约了三维技术的深入应用。本文引入成熟的三维地理信息技术,结合云计算和云存储,构建了一个线上线下一体化设计框架。通过整合海量地理空间资源,充分利用云端计算能力,实现线上线下交互式设计和设计成果在线展示,研究成果在重庆多个开发园区开展了示范应用。

关键词:市政规划设计；云计算；云存储；虚拟地理环境

1　引 言

三维地理信息技术的蓬勃发展,带动了与之相关各个行业的大量研究。在市政设计行业,以国外的Bentley MicroStation、AutoDesk Civil 3D,国内的纬地HintCAD、鸿业Roadleader(路立得)等为代表的市政设计软件纷纷加入对三维设计模块的支持[1～3]。路立得以脱离DWG图形的独立BIM信息为核心,实现了所见即所得、模拟、优化以及不同专业间的协调功能; Civil 3D软件可用于道路交通和景观的一体化设计,它基于AutoCAD平台,具有道路实时三维模拟功能。

但在另一方面,由于当前市政设计软件基本上以传统的CAD平台为核心,在面对大量的三维模型数据时往往需要性能强大的计算机支持。以Civil 3D为例,其64位版本最低要求4 GB内存,推荐使用8 GB。在实际工作中,4GB内存基本上难以满足超过2 km的道路模拟。并且,由于CAD平台向来重绘图、轻分析的特性,导致在空间分析方面难以满足实际需要。

总体而言,三维技术应用于市政规划设计是当前行业发展的趋势。但新技术的应用同时也对计算机的硬件资源提出了更高的要求,尤其在处理长达上百公里的路网或高速公路项目中,使用普通的计算机往往难以满足设计工作的需要。本文针对这一问题,以云计算为支撑,基于云盘的在线存储与共享特性设计了一种线上线下相结合的三维市政规划设计模式,并在重庆市各开发园区开展了大量的示范应用。

2　市政设计云计算架构设计

云计算是通过网格计算(Grid Computing)、效用计算(Utility Computing)、服务计算(Service Computing)等多种技术的综合演化,来提高吞吐量和降低处理时间,同时缩小IT服务成本、提高软件的可靠性、可用性和灵活性。

云计算平台可根据用户的要求开展资源整合工作,提供基础地理空间数据服务、在线存储与分享服务、在线计算服务等[4]。

市政设计云计算服务将整体架构层次自底向上分为基础设施服务层(IaaS)、数据资源服务层(DaaS)、功能服务层(SaaS)及用户应用层(包括在线存储服务),如图1所示。

图1　市政设计云计算服务架构

(1)基础设施服务层。负责提供基础设施资源,并通过虚拟化工具把物理资源层的物理设备变成全局统一的虚拟资源池,供上层服务调用。

(2)数据资源服务层。包括为支撑市政规划设计所需的各类空间数据和专题数据,同时基于在线存储服务构建盘网,为用户提供个人数据存储服务。

(3)功能服务层。负责提供空间和专题数据的发布、发现,并为市政规划提供专门的分析服务,如地形断面分析、设计文件解析、市政设计成果自动建模、各项指标计算及网盘的数据操作服务。

功能服务层是整体框架的业务逻辑处理层,其面向的不是终端用户,而是以SOA架构的模式,面向业务软件开发人员提供接口,以充分利用这些开放的数据资源和处理接口来定制客户端系统。这一层主要包括三种功能服务:数据共享与发现服务、数据应用服务、市政设计服务等。

数据共享与发现服务以在线的方式,为市政设计用户提供在线的数据资源发现与使用。用户通过查询目录或搜索的模式,发现项目所需的地理空间、规划设计及其他专题数据资源,在线浏览或通过WFS、WMS 等OGC服务引用到设计系统中。

数据应用服务以在线数据资源为依托,为设计工作提供服务接口,如在道路设计过程中最关注的横、纵地形断面信息。同时,这一服务还包括了对网盘进行操作的接口,如上传数据、下载数据等接口,以实现用户信息的在线存储与应用。

市政设计服务为用户提供需要大量计算和存储的服务接口,如设计方案三维模拟、土石方计算、占地分析等,通过这部分接口,客户可以将市政设计过程中计算量较大的工作交由云端来完成,并直接在云端进行三维展示,从而降低三维场景展示对计算机硬件资源的需求。

(4)应用服务层。负责为用户提供各类空间数据的浏览和分析功能,并基于云盘,在用户上传市政设计方案后可对方案进行三维模拟、指标计算、成果分享、在线展示等可视化操作。

3　关键技术实现

3．1基于云计算的空间信息在线服务

将云计算应用于空间信息的在线服务已经在各大GIS软件提供商中得到了大量研究与实践,目前,包括Esri公司的ArcGIS Online、SuperMap公司的Super MapSGS等应用系统中初步采用,服务效率良好[5,6]。总体而言,采用云计算技术,可以显著降低当前地理信息服务项目的重复投入和维护成本,提升GIS应用搭建和部署的效率。

与传统地理信息公共服务平台所采用的技术类似,基于云计算的空间信息服务系统框架也可以划分为四个层次:运行支撑层、数据层、服务层和应用层。如图2所示。

图2　空间信息服务体系

支撑层负责管理来自资源池的资源,构建虚拟节点以供上层服务使用;数据层主要负责在云计算基础设施资源池上存储和管理数据资源;服务层主要负责将空间信息服务组件按照Web服务标准进行封装,并能通过工作流引擎进行业务流程建模;应用层负责对外提供服务,可以通过一站式的门户直接使用系统提供的服务,也可以通过资源目录和交换体系进行数据注册、发布、交换和服务调用。

3．2云盘系统

云盘服务可以为用户提供一个容量动态可扩展的网络存储空间,通过多终端接入,可方便快捷地上传、下载和分享个人文件数据。当前,以Google网盘、百度网盘等为代表的互联网网盘就是云盘的典型代表。在开源社区中,以Seafile、ownCloud、miniyun等为代表的开源云盘也得到较多研究者的关注。

综合考虑功能需求、成本及软件成熟度等因素,本文基于较为成熟的ownCloud系统进行二次开发和应用部署。ownCloud采用PHP语言开发,可运行在Windows、Linux环境下。本文选用Windows环境,结合MySQL、Apache等建设[7],架构如图3所示。

图3　基于ownCloud的云盘架构

ownCloud的安装部署较为简单,但为了支持与应用系统的衔接,实现线上线下一体化市政设计,本文以该云盘为基础,通过调用其API,封装了基于Web服务的文件操作接口,供市政设计软件进行二次开发时调用。

3．3线上线下交互设计接口封装

基于Web服务的交互接口是本文所述框架能够得以顺利运行的关键。云服务框架以接口的方式,通过网络向外提供了三类接口:数据访问接口、云盘操作接口和市政设计分析接口。通过这些接口,可以对现有的市政设计软件进行二次开发,以充分利用云服务框架提供的数据资源、存储资源和运算资源。基于云计算的线上线下交互式设计模式如图4所示。

图4　线上线下交互设计模式

要支撑这一设计模式,本文对三类接口进行了Web服务封装,主要接口如表1所示。

线上线下交互接口 表1

上述接口中,数据访问接口遵循OGC相关标准,云盘操作和市政设计分析使用自定义的Web Service接口,并以XML文件进行交互,能够广泛适应各平台对二次开发的需求。市政工程三维建模结果以两种格式保存到网盘中,一种是依赖于三维平台的格式,目前支持OSG/ IVE,另一种是自定义的纯文本交换格式,分别对空间面和纹理等信息进行规定,可以在二次开发中进行解析和重建。

4　系统建设与示范应用

4．1云平台建设

依据上述设计,本文依托重庆市智慧空间信息服务云计算平台开发项目,初步建成了云平台的原型,市政设计云作为该原型的一个组成部分,与空间信息服务、云盘等组成一个有机的系统。云平台原型硬件包括3台IBM X3690 X5服务器、3台普通PC机、2台 1 000 M交换机等。对服务器资源,使用EXSI进行虚拟化管理,形成统一的资源池,并虚拟出数据数据服务器、云存储服务器、云计算服务器和门户网站服务器;对普通PC机,部署域控服务器、vCenter服务器和View Connection服务器。系统逻辑结构如图5所示。

图5　云计算平台逻辑结构

空间数据服务器使用4TB存储空间,发布了重庆主城区3 000 km2的高精度大地形模型和主城区精细三维城市模型及主城控规、工程地质等专题信息,可以提供40个用户的并发访问量。

云存储服务器可以提供12 TB存储空间,部署了基于ownCloud进行二次开发形成的云盘系统,实现用户文件的云端存取,并支持对设计文件进行三维模拟等定制化操作。

云计算服务器可提供24个CPU运算资源和32GB内存资源,可满足小规模计算需求,后文对其应用性能进行了量化。

上述数据服务、存储服务和计算服务资源通过云门户进行发布和管理,用户连接到门户网站后,可以直接依托这些数据和服务开展市政项目设计和成果优化、展示工作。门户界面如图6所示。

图6　三维地理信息门户与云盘界面

4．2市政设计系统二次开发

在云端系统建设的基础上,还需要对市政设计系统进行二次开发,使之能使用云平台提供的数据资源、存储资源与运算资源。本文以国内较为流行的EI市政设计软件为示范,基于AutoCAD进行二次开发,增加对远程数据调用的支持。并在市政设计模块中开发了数据储存、三维模拟等工具,在保存工程文件时,可以保存到云端。云端根据设计成果,自动进行三维建模与各类计算,并生成三维模型的服务链接和3ds模型文件。三维模型可以直接在门户网站中进行三维展示,也可以通过二次开发的数据集成模块在CAD场景中进行展示。如图7所示。

图7　CAD场景中的三维模型展示

4．3应用效果

本文的建设成果已经在重庆市各大工业园区中得到了广泛的应用,2014年完成项目数量超过40项,总设计道路市政设计项目范围达到170 km2,市政道路长度超过435 km,场平面积超过19 000亩。基于云端的计算效率,显著提升了三维模型构建的效率,结合重庆市三维数字城市建设成果,对市政道路的设计方案研究与评审提供了良好的支撑。本文以在重庆市保税港I、J分区路网优化与场平土石方量概算工作为例,基于一台高性能PC机和云端进行三维模拟和土石方量计算,性能对比如表2所示。

道路建模与场平土石方计算时间对比 表2

其中,道路长度为67 km,场平面积9 340亩。

另一方面,工作用的普通PC机受内存、硬盘效率等条件的限制,随着道路长度的增加,进行三维建模的时间也急剧增长,而云平台由于可动态调节硬件资源,受道路长度的影响较小,本文以一些典型的长度道路工程为例,对性能较好的PC机和云平台原型的三维道路建模效率进行对比,如图8所示。

图8　高性能PC机和云平台原型三维模拟效率对比图

当道路长度较小时,由于云平台是任务触发机制,接收到任务才启动服务进程(采用局域网千兆网络,忽略数据传输时间),故高性能PC机本地模拟效率较高,但随着道路长度的增加,本地模拟时间呈指数型增长,而云端模拟效率则基本呈线性增长,表明模拟效率受道路长度的影响较小。

5　结 论

近年,各大市政设计平台基于CAD的三维模拟模块开发了实时建模功用,以提升市政设计项目的效率和科学性。但受限于平台及普通工作电脑的效率问题,三维模拟始终只能停留在小范围层面,实际使用效果不理想,阻碍了三维技术在市政设计领域的推广。

本文以云计算技术为基础,配合三维地理信息技术,开发了云平台和云存储系统,并在市政设计系统中进行二次开发,实现与云平台和云存储的整合应用。试验结果表明,使用云计算技术,不仅显著提高了市政设计成果的三维模拟和土石方量计算效率,还可以促进市政设计成果的在线展示与共享,提升市政设计的公众参与程度。基于三维地理信息技术,还可以在后期出效果图、动画展示等工作中节省大量的工作时间和成本,对三维市政设计的推广具有积极的推动作用。

参考文献

[1] 李俊超,李楼．AutoCAD Civil 3D和3ds Max Design在道路建模中的应用[J]．测绘通报,2013(2):91～94．

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[3] 康俊锋．云计算环境下高分辨率遥感影像存储与高效管理技术研究[D]．杭州:浙江大学,2011．

[4] 甄福全．基于公有云平台ArcgisOnline的WebGIS实现[J]．哈尔滨师范大学·自然科学学报,2015(3):76～78．

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[6] 李元璋．私有云Android客户端的设计与实现[D]．北京:北京交通大学,2014．

Research and Application of 3D Municipal Design Framework Based on Cloud Computing

He Xingfu
(Chongqing Survey Institute,Chongqing 400020,China)

Abstract:Three dimensional technology has a rapid research and application in municipal planning and design,but the CAD platform has weak on loading capacity,analysis efficiency and presentation effects for three-dimensional data, which become a restrict for wide application of 3D technology．This paper construct an online/ offline design framework for municipal design,based on three-dimensional geographic information technology,cloud computing and cloud storage．By integrating massive online geospatial resources,fully using of online computing capacity,this framework realizes interactive design of online/ offline,online presentation．At last,carried out a demonstration application in some development parks of Chongqing．

Key words:municipal planning and design;cloud computing;cloud storage;virtual geographic environments

文章编号:1672-8262(2015)05-39-05中图分类号:P208．2

文献标识码:A

收稿日期:∗2015—07—20

作者简介:何兴富(1982—),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为三维地理信息系统技术研究与应用系统开发。

基金项目:重庆市应用开发计划项目(cstc2014yykfB40004)